11. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS – …sebestaj/U3V/U3V_T11.pdf ·...

11. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS

– principy, vlastnosti, technické prostředky

Specializovaný kurs U3V Současný stav a výhledy digitálních komunikací

Jiří Šebesta

Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

�541146553, �[email protected]

16.3.2016

http://www.urel.feec.vutbr.cz/~sebestaj/U3V/index.htm

16.3.2017 U3V - T11: Navigace I. strana 2

U3V - T11: NAVIGACE I.

�Základy navigace�Směrová navigace�Kruhová navigace�Kruhově – směrová navigace�Hyperbolická navigace� Inerciální systémy

� Téma:


� Navigace = "navis" – navigace po moři

� Srovnávací (mapa – terén)� Kompasová (siločáry mag. pole Země)� Astronomická (sextant)� Rádiová navigace (radionavigace)� Pozemní� Družicová

� Radionavigace je speciální odvětví obecné navigace, které pro plnění úkolů navigace používá radiové prostředky

U3V - T11: Základy navigace (1/18)



� GEODETICKÉ (ZEMĚPISNÉ) SOUŘADNICE:

�ZEMĚPISNÁ DÉLKA λ - úhel ve stupních, minutách a vteřinách, měřený v rovině rovníku, mezi průsečíkem rovníku a nultého poledníku středem Země a průsečíkem rovníku s poledníkem bodu měření. Rozsah 0° až 180° východní (V, E, +) nebo západní (Z, W, -). Anglický termín je LONGITUDE.

� ZEMĚPISNÁ ŠÍŘKA ϕ - úhel ve stupních, minutách a vteřinách , měřený v rovině místního poledníku od roviny rovníku k zemskému poloměru, procházejícímu místní rovnoběžkou. Rozsah 0° do 90° od rovníku severní (S, N, +) nebo jižní (J, S, -). Anglický termín je LATITUDE.



� NIVELAČNÍ VÝŠKA H = nadmořská výška - výška nad geoidem (plocha aproximující zemský povrh jako ekvipotenciální plochu vůči gravitaci na střední klidové hladině oceánu).



� ORTHODROMA - nejkratší spojnice dvou bodů nacházejících se na zemském povrchu.

� LOXODROMA - spojnice dvou bodů na zemském povrchu, která svírá stejný úhel s mezilehlými poledníky.



� KURSY, SMĚRNÍKY, DEVIACE, DEKLINACE



�MAPOVÁ PROJEKCE - protože je zobrazována zakřivená plocha s projekcí do roviny vykazuje mapa zkreslení. Podle toho, které vlastnosti zemského povrchu mapa zachovává nezkreslené, mluvíme o mapách:

� délkojevných – nezkreslují vzdálenosti podél určitého systému čar (netýká se všech délek) � plochojevných – zachovávají poměry ploch, silně jsou však zkresleny úhly � úhlojevných – věrně zachycují úhly, ale silně zkreslují plochy� vyrovnávacích – kompromisní zobrazení



� Příklady map s válcovou projekcí

� Příklad mapy s kuželovou projekcí



� Kartografická zkreslení na mapách zobrazujících velké oblasti - zobrazení kontrolních kruhů

� Mapy – kilometrické (menší

plochy – chyba v úhlech !!!!)

Souřadnice označeného místa v mapě:

NY6795024880

Příklad konvertoru na:http://www.earthpoint.us/Convert.aspx



�TĚLESO ZEMĚ – nedokonalý kulového tvaru, tzv. geoidu.

�Nejvhodnějším přibližujícím matematickým modelemelipsoid. Osa rotace je dlouhá 12713,7 km, rovníkový průměr je 12756,49 km.

�Rovník a nultý poledník jsou základními prvky pro určo-vání zeměpisných souřadnic, které jednoznačně určují polohu jakéhokoliv bodu na zemském povrchu.



� Geoid- rotace Země, nedokonale tuhé těleso- nehomogenita tělesa Země

� Elipsoid= elipsa rotující podleosy rotace

� Výška geoidu= rozdíl mezi referen-čním elipsoidem a sku-tečným geoidem



� Referenční elipsoidy (stačí 2 parametry):



� V ČR:� S-42 (elipsoid Krasovského)� S-JSTK - systém jednotné trigonometrické sítě katastrální(Besselův elipsoid)� WGS-84 - World Geodetic System - u přijímačů GPSprimárním� GTRF - Galileo Terrestrial Reference Frame (v přípravě)

� Metody přepočtu mezi jednotlivými souřadnými systémy jsouřešeny výpočtem polohy v daném systému v pravoúhlýchsouřadnicích (x, y, z) dle vztahu transformací pravoúhlýchsouřadnic vstupního souřadného systému do pravoúhlých souřadniccílového systému a zpětným výpočtem geodetických souřadnic.



� Geodetické souřadnice získané přepočtem z pravoúhlýchsouřadnic jsou vztaženy k ploše příslušného referenčníhoelipsoidu. Vlivem nerovnoměrného rozložení hmoty Země lzepozorovat nepravidelné změny výšky odpovídající hladiněmoře a elipsoid je nutno nahradit geoidem.

� Záměna elipsoidu za přesnější definici tvaru Zeměnemá vliv na geodetickou šířku a délku a projevuje se pouzeve změně výšky hladiny moře (geoid) vůči elipsoidické výšce.

� Výška geoidu N může být definována interpolačnímvztahem, funkce geodet. výšky a šířky, nebo pomocí tabulek.



� Vztahy mezi určovanými výškami

� Výška geoidu pro WGS-84

[m]



� Chyba (posuv) S-JSTK vs. WGS-84 v ČR

– geodetická šířka – geodetická délka

Konvertory s mapou na: http://twcc.fr/



� Využití navigačních majákových systémů� Směrová navigace – měření směrníku k majáku – polohutvoří průsečík směrníků (NDB)

� Speciální navigace – specifikace účelových prosto-rovýchsignálů – polohovou souřadnici specifikuje maximálníamplituda nebo shodná hloubka modulace dvou AM signálůnebo shodná fáze dvou signálů (ILS, MLS)

� Kruhová navigace – měření vzdálenosti od majáků – polohutvoří průsečík kulových ploch (GPS)

� Hyperbolická navigace – měření rozdílu vzdáleností odmajáků – polohu tvoří průsečík hyperbolických ploch (DECCA)



� Směrová navigace � Kruhová navigace

� Hyperbolická navigace � Kruhově – směrová nav.



� Inerciální systémy

� Výpočet polohy vzhledem k počátku měření pomocíměření rychlosti (akcelerometry) a kursu parciálníhopohybu (gyroskopy, kompas)

Určení polohy


�Systémy směrové (kursové) navigace jsou založeny na měření směru (kursu) navigovaného objektu ke dvěma či více majákům současně.

U3V - T11: Směrová navigace (1/7)

�Geometrickým místem konstantních směrů od daného bodu jsou polopřímky.

�Pro navigaci, při níž je určována geodetická poloha je nutná znalost směru severu (nejčastěji kompasové určení).

�Směrovou navigaci využívají systémy NDB, ILS, MLS.



�Princip směrové navigace

�Pro určení kursu se užívá závislost amplitudy vysokofrek-venčního signálu na měřeném směru k majáku.



�Aktivní systém využívá směrové vyzařování elektromagnetické energie - amplitudový radiomaják.

�Pasivní systém se směr. příjmem - rádiový zaměřovač.

�Úhlovou souřadnici zjišťujeme:

�podle maxima nosné signálu�podle minima nosné signálu�vzájemným porovnáním úrovní signálu zjišťovaných

pro dvě natočení antény nebo kombinace dvouinstalovaných antén



�Na přesnost zaměření mají vliv podmínky šíření.

�Za reálných podmínek šíření v troposféře nastává výrazná změna elevačního úhlu (měření se nedělá) - vrstevnatost.

�Azimutální úhel bývá většinou ovlivňován šířením nad ostře ohraničenými změnami prostředí - pobřežní lom. Chyba zaměření se projevuje zejména pro letadla v malých výškách.



�Směrové antény AM navigačních systémů

� Pro DV, SV a KV se nejčastěji používají rámové antény (nebo sdvojice navzájem kolmo orientovaných rámových antén)konstrukčně upravených tak, aby byly otočené kolem svislé osyrámu nebo čtveřice vertikálních antén (tzv. Adcockovasoustava).

� Na VKV se pak používají nejčastěji antény typu parabolického válce, Yagiho antény nebo logaritmicko-periodické antény.



�Profesionální ADF sys-tém se dvěma Adcocko-vými anténami pro různápásma

�Modifikace Adcockovyantény s osmi elementy



�Nesměrové majáky NDB (Non-Directional Beacon)

� Pracují v pásmu 190 – 1750 kHz s AM modulací, identifikují se pomocí dvoj až trojpísmenného kódu v Morseově abecedě (mod. frekvence 400 nebo 1020 Hz) .


� Systémy kruhové navigace jsou založeny na měření vzdálenostinavigovaného objektu od dvou, či více majáků současně. Totoměření se uskutečňuje pomocí vyhodnocení doby šířenídotazovacího signálu od palubního dotazovače k majáku a zpět.

U3V - T11: Kruhová navigace (1/2)

� Geometrickým místem konstantní vzdálenosti od daného bodu je kružnice při 2D měření nebo kulová plocha při 3D měření.

� Při měření vzdálenosti k několika majákům, je místem polohy objektu průsečík kružnic nebo kulových ploch (při malém počtu majáků více průsečíků = nejednoznačnost určení polohy)


U3V - T11: Kruhová navigace (2/2)

�Princip kruhové navigace

�Aplikace: systémy GNSS

� Pro jednoznačná měření – 4 majá-ky nebo omezení prostoru opera-bility, např. GPS


�Systémy kruhově – směrové navigace jsou založeny naměření vzdálenosti a směru navigovaného objektu odjednoho, či více majáků současně.

U3V - T11: Kruhově - směrová (1/2)

�Aplikace: systémy VOR-DME


U3V - T11: Kruhově - směrová (2/2)

�Princip kruhově - směrové navigace


� Systémy hyperbolické navigace jsou založeny na měření rozdíluvzdáleností navigovaného objektu od dvou dvojic, či více dvojicmajáků současně. Toto měření se uskutečňuje pomocívyhodnocení doby šíření nebo častěji rozdílů fází synchronníchsignálů majáku.

U3V - T11: Hyperbolická nav. (1/4)

� Geometrickým místem konstantního rozdílu vzdáleností oddaného bodu (ohniska) je hyperbola při 2D měření nebohyperboloid při 3D měření.

� Při měření rozdílu vzdáleností k několika majákům, je místempolohy objektu průsečík hyperbol nebo hyperboloidů(nejednoznačnost určení polohy je potlačena).


�Princip hyperbolické navigace


�Aplikace: systémy DECCA NAVIGATOR, OMEGA, LORAN


�DECCA NAVIGATOR



� LORAN



U3V - T11: Inerciální systémy (1/4)

� Navigační systém využívající Dopplerův jev

� Systémy jsou určenypro měření traťovérychlosti a úhlu snosu apatří mezi nezávislénavigační systémy vět-ších nákladních, civilníchi vojenských letadel bezjakékoli spoluúčasti po-zemních zařízení.

� Dopplerova frekvence, jež vzniká pohybem letadla s traťovou rychlostí TR vůči zemskému povrchu je:



� Pro měření složek rychlosti podélné, příčné a vertikální aúhlu snosu je třeba uspořádání vyzařovacích svazků anténpodle tzv. Janusovy úpravy.



� Dráha letu se obvykle počítá v pravoúhlé soustavěsouřadnic, kde osy jsou rovnoběžné se směry N - S a E - W.Při jejím využití se dráha letu rozkládá na integrály vektorůrychlosti ve směru těchto os.

� Palubní počítač vyhodno-cuje zeměpisné souřadniceaktuální polohy letadla zesložek drah letu do poledníkua rovnoběžky:



Názorný přehled dosažitelné přesnosti určení 2D polohy pro různé navigační systémy


Děkuji za vaši pozornost

Téma příští přednášky:

Radionavigační systémy pro řízení letového provozu

Výborně Higginsi, vidím, že máš všechno pod kontrolou.

Date post:	08-Mar-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	9 times
Download:	1 times

11. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS – …sebestaj/U3V/U3V_T11.pdf ·...

Documents